2016 VOL.26

Review

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写真位置�
削 除し ないでください�

金型内蔵マイクロマルチセンサーと金型内蔵マイクロマルチセンサーとセンサーフュージ
センサーフュージョンシステムを用いたョンシステムを用いた新しいプロセス計測技術の開発�
新しいプロセス計測技術の開発
�楊楊� 明� *明

M. Yang
１．まえがき

体ゲージを複数配置し，半導体プロセスにより製作した後，

� インダストリー��� に代表される次世代生産技術や ���

数 mm の大きさに切出し，金型に埋め込むことにより，技術を利用した生産システムの見える化知能化が求めら

金型内部の複数箇所のひずみを測定することが提案されれる中，塑性加工において，サーボプレスなどを利用した

た 9)．半導体ゲージからの信号を無線通信回路による通信

高精度かつ省エネな加工プロセスを実現するための技術を行うことにより，センサー情報をリアルタイムにコント開発が盛んに行われている．サーボプレス利用技術の高度ローラに伝送することが可能となる．図 1 にセンシングシ化に向けて，プロセスシミュレーション・設計技術やセンステムの概念を示す．金型にマイクロセンサーユニットをシング制御技術への要求が高まっている．�

埋め込むことによって，内部の応力及び応力分布などの情塑性加工において多くの場合金型が用いられるため，素報を取り出すというシステムである．金型内部の変形情報

材変形や摩擦状態を直接測定することは困難であり，金型を得るのに，多くのセンサーを配置する必要があり，その内部での状態をモニタリングするための内蔵センサーや配線も困難となるため，複数のセンサーをユニットにして，センシング技術の開発が大きな課題となる．今まで素材と幾つかのユニットを金型に埋め込む形にした．センサーユ

金型の接触に伴う金型に生じる物理的な変化の測定や，素ニットから出たリード線は金型の横に貼り付けてある小材変形に伴う金型表面や内部に生じる応力場やひずみ分型無線通信ユニットに接続され，測った金型内部の情報を布を測定することにより，間接的に素材の変形形態や素材この無線通信ユニットを通じて，処理システムへ転送され，と金型との接触形態の測定に関する研究が行われている

処理される 10) ．

��．金型表面近傍に測圧ピンを埋め込み，加工時における金型表面の応力や摩擦力測定や，複数高感度ひずみゲージによる応力分布の測定やセンサー情報とシミュレーション情報の融合による複雑事象の同定が試みられている������．しかし，金型内で生じる各種複雑な現象を把握することは大変困難であり，限られた情報を基にプロセスの制御が行われているのが現状である．�
本論文著者は，半導体加工技術を利用して，複数センサーから構成するマイクロセンサーユニットを開発し，金型内部に内蔵することによって，加工に伴う金型の応力分布を測定し，そのオンライン測定データから加工情報を推定する新しい計測手法を提案し，すでに幾つかの実験により，板材曲げ加工中における金型の応力情報を得ることに成功した ������．本研究では，金型内蔵センサーの特性に及ぼ

図１� 金型内蔵センシングシステムの概念図 10)

す影響因子を明確にし，それを改良するためのセンサー構
図 2 に設計したセンサーの一例および主な仕様を示す．

成及び内蔵方法について検討した．

シリコンウエハに 0.3mm×0.1mm のひずみゲージを作り２．マイクロセンサーの開発と金型への実装こみ，局部的に発生した応力を計測することが出来る．温� ���� 金型内蔵センサー概要�

度の影響を補償するために同じ箇所にマイクロゲージを� 塑性加工における材料変形状態を直接測定することは４つ形成し，それぞれを金属配線で接続し，ホイートスト困難であるが，金型の変形情報を測定し，金型の変形と被ンブリッジを構成し，一つのマイクロ応力センサーを形成

加工材との相関関係から，間接的に被加工材の変形情報をした．このようなマイクロセンサーを複数個箇所に配置す得られることから，半導体シリコンウエハ上に高感度半導ることにより，応力分布を直接測定することが可能である．

* 首都大学東京システムデザイン研究科教授- 79 -�2016 VOL.26

また，測定対象に合わせてマイクロセンサーの数やその配�置パターンなどを適切に設計することができる．それを複�数箇所に作りこむことにより，同時に複数の応力を同時に��計測することができる．それを金型の適切な箇所に内蔵させることにより，加工時金型が受ける応力をリアルタイムでモニタリングすることができる．図 3 に製作したマイク(a)� 直線配置型

ロセンサー例の写真を示す．いずれのセンサーも基本単位となるマイクロセンサーは同様なスペックであるが，その配置パターンが異なる．図 3(a)では，４つのマイクロセンサーを一直線上に等間隔に配置したものであり，センサー間のピッチは 0.5mm である．図 3(b)の例では，４つのマイクロセンサーを同心円上に同間隔に配置し，測定する応力軸は半径方向に向くようになっている．直線配置センサーチップは，金型に内蔵して等間隔に応力情報を得ることができ，汎用性が高い．円周配置センサーチップは球面金型に対して，有効に情報を取得することができる．
(b)円周配置型
図 3� 製作したマイクロセンサー例(a)

マイクロセンサーチップの概要(b) センサー部詳細寸法と主な仕様
図 2� マイクロセンサーチップの設計例
��� マイクロセンサーの金型への実装�
図 4 にマイクロセンサーの曲げ加工用金型への埋め込
みの様子を示す 11)．まず，図 4(a)に金型の概観を示す．
金型にあらかじめ，図 3(b)に示す円周配置型センサーのマイクロセンサーチップの寸法に合わせて，高精度にマイクロセンサーチップをはめ込む溝を加工する．この場合，センサーエッジと干渉しないように溝の４隅に逃げ穴の加工を施した．センサーチップを金型内にはめ込み，エポキシ系接着剤で接着した．センサーを内蔵した後，もう片方の金型とピン及びボルトで締結しユニットが完成する．最終的に図 4(b)に示すような形となる．
�図 4� マイクロセンサーの金型への埋め込み�- 80 -

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���� 金型内蔵センサーの特性評価�
金型内蔵センサーの特性を評価するために，まず，センサー内蔵曲げ金型プレスブレーキ機械設置し，静的荷重の加えることによって，センサーの特性を評価した．図 5(a)にマイクロセンサー内蔵金型をプレスに取り付けた様子を示す．先ず，図 5(b)に示すように先端角度の異なる加圧用パンチを製作し，センサー内蔵金型に対して，直接加圧を行った．それぞれの加圧角度における各センサーの出力値について検証を行った．使用した加圧パンチの先端角度は 85°から 170°までの計 10 種類，圧力は 0～30tonfとした 11)．
図 6� 130 度パンチ静的荷重によるセンサー特性の評価(a)�

プレスブレーキ機に金型設置概観
図 7� 各センサーひずみ出力と加圧角度との関係
次にプレスブレーキに角度センサーを装着し，実曲げ加工を行い，動的な荷重に対するセンサー特性評価を行った．
代表的なデータとして SUS304，t=1.0mm の材料を用いた場合の各センサー出力波形を図 8 に示す．これは両側の金型に内蔵センサーからモニタリングした出力の平均値と挟み込み角度の推移との関係を表したものである．同一材料での繰返し曲げに対して，各センサーからのひずみ波形はほぼ同じであるが，絶対値にばらつきがあることが分かった．ばらつきは約 40％であった．同時に評価を行っ(b)� 静的荷重負荷評価た軟鋼板材（SPCC），アルミ合金も同様な傾向を示した．
また，同一材料の繰返し曲げにおける試験片間の物性や板

図 5� 金型内蔵マイクロセンサーのプレスブレーキ機厚のばらつきを評価するために，曲げ荷重の繰返し性を評価した．結果から試験片間のばらつきに起因する荷重の変

外観及び静的負荷評価概要

動は 0.1tonf 程度であり，約 8％であった 12)．
代表的な結果を図 6 に示す．図からわかるように，各セ今回試作したマイクロセンサーシステムは高感度であンサーの出力特性は比較的良好な直線性を示しており，まり，金型が受ける微小な応力の測定に適していることが分た角度の変化に伴い，各センサーが異なる出力パターンをかった．しかし，金型に内蔵した場合，測定データにばら示す．その繰返し性もよいであることが分かった．各角度つきが大きく，繰返し性に問題が残された．これは，マイに対するひずみ出力の変化を纏めた結果を図 7 に示す．

クロセンサー，金型内溝の形状精度，さらにセンサーの金個々のセンサーの出力ひずみは加圧角度の変化に応じて，型内への埋め込み時のセンサーと金型溝間の接着特性な増減することが分かった．加工中，素材の変形に伴う接触どの各種要素技術にまだ課題が残されており，今後，これ部分の移動を，４つのセンサー信号の増減パターンより検らの課題をクリアしていく必要がある．

出可能であることを示唆している．

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かし，界面の隙間が数m 程度の場合，接着剤の流動抵抗が高く，また，界面に存在する気泡を完全に追い出すことが困難であり，側面全面に行き渡らない可能性がある．その結果，素材変形時の応力が金型表層部からセンサーに精度よく伝わらなかった可能性がある．接着剤の充填を容易にするため，クリアランスを大きめに設定し，接着剤を確実にシリコン基板周りに行き渡らせて上記のような部分的な接触，空洞等の不安定要素が発生しないように再試作を試みた．この場合，接着層が厚くなると感度の低下は見受けられるが，ひずみ波形にはほとんど変化が見られなかったので，接着工程の見直しが必要となる．
図 8� 曲げ加工における各センサーのひずみ出力と挟み

�･� 金型実装技術の改良�
以上のことを踏まえて，センサーを金型内へ実装技術と込み角度との関係して，以下のような改造が有効であると考えられる．
・接着層を廃止しセンサーチップに上下からプリロードを

３�� マイクロセンサーの金型への実装課題と改良�

・センサーチップと金型母材との接触状態を改善するため，

��� 金型実装の技術課題�

放電加工で製作されたセンサー溝加工面を平滑化する．例

掛けてクリアランスゼロを実現する．

今回提案した半導体材料を使った高感度なマイクロセ

えば，電子ビームの照射による表面粗さの低減を行う．

ンサーを金型に内蔵して使用する際，下記のような問題点

・センサー内蔵溝の加工精度を向上させるために３ピースが考えられる．に分割し，センサー収納部分の加工を通し加工でできるようにする．
・シリコンセンサーチップと金型はいずれも硬い材質であ

マイクロセンサー加工
半導体材料のシリコンウエハ表面にゲージの作成は比り，両方の面精度を極限まで高めることが困難である．力較的標準プロセスによって行うことが可能であり，リードの伝達を高効率にできるように，センサーチップと金型の線を引き出すためのフレキシブルなケーブルへの接合も界面に中間層をメッキなどで形成する．

比較的高精度に実現できる．しかし，ダイシングソーを用いてセンサーチップをウエハから切り出したため，４隅に上述の改造方法について総合的にセンサー及び内蔵溝鋭利なエッジが残り，面取りも出来ていないため，金型へ形状設計，加工精度の向上によって，初めて高感度なセン内蔵する際，金型の溝加工がそれに合わせることが容易でシングシステムが実現できると思われる．今後，個々の要はなかった．今回，溝加工時，４隅に逃げ穴を加工し，セ素技術を確認し，それぞれの効果を定量的に分析評価し，ンサーと溝との干渉を回避したが，逃げ穴の影響が無視で金型内蔵センサー実装精度向上への寄与度を評価する予きないことが分かったので，今後，センサー形状の設計，定である．

及びセンサーブロックの切り出し方法について検討する
��� 新しい金型内蔵センサーの提案�

必要がある．

金型内蔵センサーの場合，センサーと金型との接合が大きな課題となり，センサーの形状精度，金型内蔵形状，接金型内溝加工
今回の金型の溝はマイクロ放電加工によって製作され合方法などを精密に制御する必要がある．一方，金型表面た．大よその寸法精度が得られたが，表面粗さ，及び側面に直接センサーを創製することができれば，接合を要しなの垂直度，側面底辺の R を残したこと，溝の４隅に逃げい簡易な方法による金型内蔵センサーシステムの創製を穴を施したことがセンサーとの形状不一致が生じた原因得ることができる．と考えられる．より精密な仕上げ加工を追加することが必

そこで，金型表面へのマイクロセンサーの創成を試みた．

要である．また，側面底辺の R が極力ゼロになるような金属金型の表面に微細な溝を形成し，３次元フォトリソグ

加工法，溝の４隅に逃げ穴を設けないように形状設計を行

ラフィ技術を用いて，溝側面に直接マイクロセンサーのパう必要がある．

ターンを形成した．
図 9 にマイクロセンサー形成プロセスの流れを示す．金型表面に幅がサブミリ程度の V 溝を機械加工で形成する．

センサーと金型内への埋め込みセンサーを金型内に埋め込む際，センサーと金型との界V 溝表面に絶縁層としてポリイミドをコーティングし，さ面にエポキシ系の接着剤を流し込んで，接着を行った．しらにその上に抵抗体薄膜を電着でコーティングする．抵抗- 82 -2016 VOL.26

この技術を利用した V 曲げ金型表面へのゲージ製作を

体薄膜表面にフォトレジストを薄く塗布し，３次元フォトリソグラフィによってフォトレジストのパターニングを試みた．図 10 に曲げ用金型とその表面へのゲージパター行い，エッチングによって，抵抗体薄膜の不要な部分を除ン作成の概要を示す．金型表面に曲げ方向に沿って，幅去したあと，保護膜として表面に再度ポリイミドを塗布す

0.4mm，深さ 0.2mm 程度の V 溝を機械加工で製作した．

る．このようなプロセスによって形成される抵抗体ゲージ

V 溝の両側面に抵抗体ゲージを形成した．曲げ加工プロセが金型表面の必要な場所に配置することができる．また，スの応力分布を測定するために複数箇所にゲージを配置表層部に限りなく近く，高感度で金型表面の応力を測定すした．その概要を図 10(a)に示す．配置したゲージのパタることが可能である．ポリイミドに負われる僅かな溝が金ーン寸法等を図 10(b)に示す．また，形成されたセンサー

型表面に残るが，ポリイミドと金型との接着強度が高く，部の拡大イメージを図 11 に示す．今後，金型表面層に刑加工による剥離が起こることもなく，加工プロセスへの影されたセンサーの評価試験を実施し，センサー感度，再現響も殆ど無視できる．

性，耐久性などについて評価していく．

図 11� ３D フォトリソグラフィによるガラス V 溝へのゲージパターン形成

４．まとめ�
本研究では，半導体加工技術を利用して複数半導体ゲージから構成されるマイクロセンサーを製作し，それを金型の適切な箇所に内蔵させ，加工中の金型の微小変形とその分布を測定することにより，塑性の変形形態や素材変形に伴う複雑な事象を計測する新しいセンシングシステムを
図 9� 3D フォトリソグラフィによる金型表面ゲージ形成の流れ提案した．具体的には板材曲げ加工を例に挙げ，マイクロセンサーの設計，開発を行い，曲げ加工中の材料変形抵抗や曲げ角度の測定を行うことにより，金型内蔵センサーの各種課題を明確にした．
シリコンウエハ上に数百ミクロンサイズの抵抗線を複数パターニングし，半導体プロセスにより半導体ゲージを実際に製作した．完成した数 mm サイズのセンサーチップを金型に埋め込み，曲げ加工時の応力分布を直接測定することができたが，金型へのセンサーチップの実装技術には，またいくつかの課題が残されており，実用化に向けて，センサー形状及びセンサー内蔵のための金型加工の高精度化が必要である．

(a)� 抵抗体ゲージを形成した曲げ金型

また，３次元フォトリソグラフィ技術を利用して，マイクロゲージパターンを直接金型表面へ創製することにより，実装を必要としない金型表面センサー創製技術を開発し，今後の実用化が期待される．

謝� 辞�
本研究は天田金属加工機械技術振興財団（現 公益財団(b)法人天田財団）一般研究開発助成（平成 19 年度）の支援

ゲージ部詳細を受けて行われたものであり，同財団に深甚の謝意を表す．
図 10� V 曲げ金型表面へのゲージ形成概要- 83 -

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